具有长焦深特性的线性变面积波带片

摘要

本发明提供一种具有长焦深特性的线性变面积波带片，所述波带片由一系列挡光半波带和透光半波带交替排列而成，且每一对相邻的挡光半波带和透光半波带构成一个波带；在每一个波带中，挡光半波带和透光半波带的面积相等；在每两个相邻波带之间，面积呈线性变化；焦深 近似由下式决定：；其中是波带片的波带环数，是两相邻波带间面积的改变量，是入射光波的波长。本发明的线性变面积波带片适用于激光切割、精密加工和光学成像领域。

说明书

技术领域

本发明涉及长焦深光学元件领域，具体涉及一种由一系列挡光半波带和透光半波带交替排列而成，通过线性的改变相邻波带面积来实现焦深拉伸的长焦深波带片。

背景技术

具有长焦深和高横向分辨率的光学元件在很多领域都有着重要的应用，例如激光光刻、激光切割、激光扫描、精密加工和恶劣环境下的光学成像等。然而，对于传统透镜，长焦深和高横向分辨率存在相互制约的关系，即高横向分辨率需要较大的NA（numerical apertures），而长焦深需要较小的NA。因此，寻求同时满足高横向分辨率和长焦深要求的聚焦技术，是一个非常重要的技术问题。

为了解决这一问题，人们已经提出了采用轴锥镜（Axicon）、衍射光学元件、折射-衍射混合元件和全息元件等多种方法来实现长焦深。采用轴锥镜的方法可将焦深增加到原来的几十到上百倍，然而存在焦深范围不易控制、焦深范围内光强分布振荡厉害或者能量利用率低等问题。采用基于能量守恒法的对数光锥来设计长焦深光学元件的方法可灵活设计焦深范围，存在广泛应用，一般采用折-衍混合结构。但是，上述理论方法设计的绝大数光学元件是相位型的，一般使用石英作为材料，只适用于可见光波段，而不适用于真空紫外和软X射线波段。因为在真空紫外和软X射线波段，几乎所有材料的折射率都近似等于1。二值化波带片为长焦深的实现提供了另一种技术途径。使用该方法设计的长焦深波带片适用于可见光到软X射线范围的所有波段。

1990年，Jorge Ojeda-Castaneda等人提出了一种长焦深波带片。通过适当的参数设计，该波带片沿着光轴方向产生指定数目的焦点，任意两个相邻焦点的振幅分布刚好处于分辨率的瑞利限制。使用该方法，理论上可以设计出具有任意长焦深的波带片。近几年，人们提出了“孔雀眼”波带片和修正分形波带片等特殊设计的波带片，也具有长焦深特性。

本发明提出一种新型的具有长焦深特性的线性变面积波带片。它不同于前人提出的各种长焦深波带片，通过适当的设计参数，该波带片也能实现任意范围的长焦深。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有长焦深特性的线性变面积波带片，通过适当的设计参数，可将焦深拉伸到任意范围，具有长焦深、高横向分辨率和小旁瓣等聚焦特性。

本发明的具有长焦深特性的线性变面积波带片，其特点是：所述波带片由一系列挡光半波带和透光半波带交替排列而成，且每一对相邻的挡光半波带和透光半波带构成一个波带；在每一个波带中，挡光半波带和透光半波带的面积相等；在每两个相邻波带之间，面积呈线性变化；焦深                                                近似由下式决定：；其中是波带片的波带环数，是两相邻波带间面积的改变量，是入射光波的波长。

所述的波带片的挡光半波带和透光半波带的尺寸在亚微米量级、微米量级及以上。

所述的波带片的中心半波带为挡光半波带或透光半波带。

所述的波带片的波带面积随波带片半径的增大而增大，或者随波带片半径的增大而减小。

在所述的波带片的挡光半波带之间设置用于自支撑的加强筋。

所述的波带片选取已有的波带片完整对称结构的一部分形成。

所述的波带片的挡光半波带是透明表面上的由额外厚度引起位相差的半波带。

本发明的波带片是透射式波带片。

本发明的波带片是长焦深波带片。

本发明波带片的中心半波带可以是挡光半波带，也可以是透光半波带。

本发明波带片的挡光半波带是透明表面上的由额外厚度引起位相差的半波带。

本发明的波带片适用于微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线等各个电磁波段。

本发明波带片的挡光半波带尺寸可为亚微米量级，也可为微米量级及以上，由具体所需测量的光波范围确定。

本发明波带片的波带面积随半径的增大而增大，或者随半径的增大而减小。

本发明的波带片可以转印为反波带片，也可以复制为复制波带片。

本发明的波带片结构只存在挡光和透光两种区域，是一种二值化的结构，易于加工制作。

与普通菲涅耳波带片相比，本发明的线性变面积波带片具有长焦深、高横向分辨率和小旁瓣等聚焦特性，通过适当的设计参数，可将焦深拉伸到任意范围。

附图说明

图1a为本发明所述具有长焦深特性的线性变面积波带片在（）坐标系下的结构示意图；

图1b为本发明所述具有长焦深特性的线性变面积波带片在 坐标系下的结构示意图；

图2a 为普通菲涅耳波带片在（） 坐标系下的结构示意图；

图2b 为普通菲涅耳波带片在 坐标系下的结构示意图；

图3 为本发明所述的具有长焦深特性的线性变面积波带片工作模式示意图；

图4a 为本发明所述的具有长焦深特性的线性变面积波带片在焦深范围内的光强分布图；

图4b 为在与图4a相同参数条件下普通菲涅耳波带片在相同焦深范围内的光强分布图；

图5 为在焦深一定时本发明所述的具有长焦深特性的线性变面积波带片不同参数条件对长焦深特性的影响图；

图6 为当波带面积随波带片半径增加而递减时焦深沿光轴的光强变化规律图；

图7为本发明所述具有长焦深特性的线性变面积波带片的加工制作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，示意图仅作示例用，其在此不应限制本发明保护的范围。

实施例1

       本实施例公开一种适用于可见光波段的具有长焦深特性的线性变面积波带片，给出波带片版图的设计方法、波带片的工作模式和衍射特性以及波带片的制备方法。

1.波带片版图的设计方法

       波带片在 （）和坐标系下的结构分别如图1a和图1b所示，两个坐标系下的变量满足转换关系：。在坐标系下，本发明线性变面积波带片的结构如图1b所示，是一种类周期结构，且每一个周期对应于波带片的一个环带，周期与环带面积满足关系：。相邻周期之间存在线性变化量且满足，即对应的相邻环带之间的面积呈线性变化。焦点中心到波带片的距离由确定，焦深近似由确定，其中为入射光波的波长，为波带片环数。总体设计思路如下：(1)根据实际的应用需求，确定波带片的参数，和，从而确定波带片的中心焦距和焦深；(2)根据上述转换关系，将坐标系下的波带片结构转换到（）坐标系下，即可得到本发明波带片的版图，如图1(a)所示。

图2a和图2b给出了普通菲涅耳波带片在 （） 和坐标系下的结构示意图。可以看出，普通菲涅耳波带片在坐标系下是严格的周期结构，即恒定不变（如图2b所示）。然而，普通菲涅耳波带片不存在长焦深特性。

2. 波带片的工作模式和衍射特性

       由于其特殊的结构，本发明的线性变面积波带片具有长焦深特性，工作模式如图3所示。单色平行光（3.1）垂直入射到本发明的线性变面积波带片（3.2）上，经波带片聚焦后在焦点处实现长焦深的聚焦。为了更好地说明本发明波带片的长焦深特性，下面对其进行了计算机模拟，并与相同参数下普通菲涅耳波带片的结果进行了比较。

在实际模拟中，使用基尔霍夫衍射公式，入射波长取为，中心焦距取为，焦深取为。由于，和，可得，。图4a给出了, 时本发明波带片的焦深，与理论估计的一致；图4b给出了相同参数（即和）下，普通菲涅耳波带片在焦距处的焦深。比较发现，本发明的线性变面积波带片有效的拉长了焦深，具有重大应用价值。

图5给出了在相同焦深情况下（），不同的环带数和相邻环带面积变化量在焦深区域沿光轴方向光强分布的影响。可以看出，选取的环带数越多，对应的相邻环带面积变化量越小，所得光强沿光轴方向的变化越平滑和稳定。

以上考虑的情况都是环带面积随波带片半径的增加而增加，而未考虑环带面积随波带片半径的增加而减小的情况，图6给出了该情况下光强分布在焦深区域沿光轴方向的光强变化规律。可以看出，面积的两种变化方式都能够有效的实现长焦深特性。

3. 波带片的制备方法

       a：根据实际的应用需求，确定波带片在坐标系下的参数、和，根据坐标变换关系将波带片版图转换到（）坐标系下,即可得到如图1a所示波带片版图中每个环带的实际尺寸；

b：将如图1a所示结构的波带片按照步骤a中的尺寸转化为LEDIT格式文件；

       c：在双面抛光的（100）晶面的硅片上镀一层金膜，然后涂上一层光刻胶，对硅片基底开孔，形成一块镂空的自支撑金薄膜；

       d：利用数控聚焦电子束光刻设备，由步骤b中产生的LEDIT文件控制，将如图1(a)所示的波带片版图结构在步骤c产生的薄膜上进行电子束曝光，然后利用显影液和定影液进行显影，得到波带片光刻胶图形；

       e：利用刻蚀溶液对显影区域的金膜进行恰当时间的化学腐蚀，在显影区形成通孔；

       f：去除光刻胶，即得到适用于可见光波段的具有长焦深特性的线性变面积波带片。

图7是本发明的具有长焦深特性的线性变面积波带片的加工制作流程图，与步骤c、步骤d、步骤e、步骤f相对应，7.1、7.2和7.3对应的材料分别为光刻胶、金和硅。

实施例2

X射线光刻复制波带片的制备

a：同实施例1制备方法中步骤c；

b：将实施例1中产生的掩模板作为曝光原图，在本实施例步骤a产生的薄膜上进行X射线曝光；

c：同实施例1中制备方法步骤e；

d：去除光刻胶，得到具有长焦深特性的线性变面积波带片的复制波带片。

实施例3

反波带片的制备

       a：通过转印的方式，采用与实施例1或者实施例2相同的硅片、金膜和光刻胶材料，在金膜下加一层透光的基底作为支撑，制作与实施例1或者实施例2相反的图形结构，即可制成具有长焦深特性的线性变面积波带片的反波带片，反波带片的衍射模式与实施例1或者实施例2的衍射模式相同。